專利名稱：一種海浪的sar 信號模擬方法
技術領域：
本發明涉及合成孔徑雷達的海洋應用領域，特別涉及一種海浪的合成孔徑雷達信號模擬方法。
背景技術：
SAR(即合成孔徑雷達)是通過一定積分時間內獲取的信號來提高其空間分辨率的，對于陸地靜止場景，地物與傳感器之間的相對位置關系由衛星軌道單方面決定；對于海面場景，海面的動態起伏引起了額外的運動，在成像過程中影響到其成像效果。因此，開展海浪的SAR信號模擬可以提高對整個成像過程的理解，并且對于傳感器設計、參數選擇等有著重要的意義。·SAR信號模擬是建立在場景散射模型基礎上的，在SAR信號模擬過程中，需要考慮信號方式，通過構建場景散射模型與信號方式的關系獲得模擬數據。現有技術的海浪的SAR信號模擬方法只考慮了海浪整體的運動，在SAR信號模擬過程中采用的模型是分布表面模型(DS)，而沒有考慮海面運動所引起的多普勒效應，因此對海浪的SAR信號進行模擬的結果不夠準確，考慮海面運動所引起的多普勒效應的主要模型是速度聚束模型(VB)，其根據是運動物體的SAR成像原理。現有技術中海浪的SAR圖像建模主要采用M4S和RM兩個建模工具，這兩個建模工具的主要工作是分析風浪流相互作用對海面粗糙度(即海面散射)的影響，而沒有考慮海面運動所引起的多普勒效應對海面散射的影響，且對SAR系統的成像的濾波效應沒有涉及。綜上所述，現有技術中海浪的SAR信號模擬方法和海面SAR建模工具雖然在海浪譜及散射模型的基礎上能夠建立后向散射的模型，實現較小風浪情況下海浪的SAR信號模擬，但是由于在SAR信號模擬方面存在缺乏考慮海面運動所引起的多普勒效應的問題，導致無法實現較大風浪情況下海浪的SAR信號模擬，因此無法為SAR系統的設計提供全面的模擬數據。
發明內容
有鑒于此，本發明的目的是提供一種海浪的合成孔徑雷達信號模擬方法，以解決現有技術的SAR信號模擬方法由于缺乏考慮海面運動所引起的多普勒效應而導致的無法實現較大風浪情況下海浪的SAR信號模擬的問題。為了實現上述目的，本發明提供了一種海浪的SAR信號模擬方法，包括以下步驟SI :采用海浪譜對海浪進行建模，構造包含多個面元的三維海表面；S2:計算每個所述面元的散射場，然后根據速度聚束模型將所述面元沿距離向的運動效應轉化為方位向的偏移，并根據所述散射場和所述方位向的偏移生成海面散射圖；S3 :對所述海面散射圖進行整體運動的SAR信號模擬得到模擬SAR信號，并采用SAR成像算法對所述模擬SAR信號進行處理得到模擬SAR圖像。作為優選，所述步驟SI中，所述海浪譜表示為積的形式
W(K) = S(K)P( θ，K)其中，W(K)為海浪譜；S(K)是一維譜，在長波區域，S(K)采用經典譜；在短波區域，S(K)分為重力毛細波Sgc⑷和毛細波S。⑷，分別對應不同的波數；Ρ(Θ，Κ)是擴展函數;K是海浪波矢，K的模K = 2 π / Λ是海浪波數，A是海浪波長；Θ通過下式定義
權利要求
1.一種海浪的SAR信號模擬方法，其特征在于，包括以下步驟 Si:采用海浪譜對海浪進行建模，構造包含多個面元的三維海表面； 52:計算每個所述面元的散射場，然后根據速度聚束模型將所述面元沿距離向的運動效應轉化為方位向的偏移，并根據所述散射場和所述方位向的偏移生成海面散射圖； 53:對所述海面散射圖進行整體運動的SAR信號模擬得到模擬SAR信號，并采用SAR成像算法對所述模擬SAR信號進行處理得到模擬SAR圖像。
2.根據權利要求I所述的海浪的SAR信號模擬方法，其特征在于，所述步驟SI中，所述海浪譜表示為積的形式 W(K) = S (K) P ( Θ，K) 其中，W(K)為海浪譜； S(K)是一維譜，在長波區域，S(K)采用經典譜；在短波區域，S(K)分為重力毛細波Sgc⑷和毛細波S。⑷，分別對應不同的波數； Ρ(θ，κ)是擴展函數； K是海浪波矢，K的模K = 2 / Λ是海浪波數，A是海浪波長； Θ通過下式定義 [Kx=Kco^O [Κ^Κ ηθ 其中，Kx是海浪波矢K在X方向的分量，Ky是海浪波矢K在y方向的分量。
3.根據權利要求2所述的海浪的SAR信號模擬方法，其特征在于，所述經典譜為JONSWAP 譜。
4.根據權利要求I所述的海浪的SAR信號模擬方法，其特征在于，所述步驟SI中，采用二尺度的海洋表面模型構造所述三維海表面，具體為長波對應大尺度的輪廓，通過比SAR分辨率單元小且遠大于電磁波長的平面面元近似，生成隨機海面；短波對應小尺度的隨機粗糙，通過重力毛細波或毛細波的波形近似；所述重力毛細波或毛細波的波形疊加在所述平面面元上形成海表面模型。
5.根據權利要求4所述的海浪的SAR信號模擬方法，其特征在于，所述長波采用涌浪剖面在某個時刻的隨機過程來生成，參數包括有效浪高、峰值周期、海浪譜主要方向和海浪譜類型；從長波譜生成所述隨機海面的方法是采用隨機噪聲濾波，具體為首先生成隨機復數矩陣N，其實部和虛部均勻分布在O到I之間；然后對應相乘長波譜WJK)的方根與矩陣N得到中間變量Lt = (l : Lt-o = (k)n 在上式進行傅里葉變換之后，海面高度(t = c)(r)表示為 ζ t = O (r) = real (aF_1 [Lt = J (r)) 其中，a是歸一化參數，r是海浪在基準面內的位置，包含X和y兩個方向上的位置信息，real ( ·)表示取復數的實部。
6.根據權利要求I所述的海浪的SAR信號模擬方法，其特征在于，所述步驟S2中，每個所述面元的散射場采用下式計算其中，和￡；是入射場，盡和盡是散射場，R是面元中心點到飛行航線之間的距離；k=Ikl =2π/λ是電磁波數，k是入射電磁波矢，λ是電磁波長；下標H和V分別代表水平和垂直極化部分；上標i和s分別表示入射場和散射場；矩陣X表示后向散射系數，j為虛數單位。
7.根據權利要求6所述的海浪的SAR信號模擬方法，其特征在于，所述矩陣X由下式給出 X = FD( Θ j, δ χ, δ y) 其中，91是雷達入射角，Sy是面元沿著方位向χ和地距方向y的面元斜率； 矩陣F表不雷達后向散射由于面兀方向和電磁參量依賴引起的極化效應； 標量D表示為D( Θ i； δ χ, δ y) =/ Aexp(j2k · P ) dA 其中，k是入射電磁波矢，A是面元投影到(x，y)平面的面元面積，而P為從面元中心點到面元上任一點的徑向矢量；ρ = (χ-χ0)χ + (γ-γ0)γ + (ζ(χ,γ)-ζ0)ζ 其中，(χ。yci，z0)是面元的中心坐標，j，S分別為χ，y，ζ方向的單位矢量。 z (x, y)SjP δ y 是面元沿著方位向 χ 和地距方向y的面元斜率；zs(x，y)是符合短波譜的隨機過程。
8.根據權利要求I所述的海浪的SAR信號模擬方法，其特征在于，所述步驟S2中，根據速度聚束模型將所述面元沿距離向的運動效應轉化為方位向的偏移具體為 散射面元根據距離向的速度分量進行方位向的調整 其中，R是傳感器到所述散射面元的距離，V是傳感器速度； 根據海面面元的運動速度，方位向坐標為χ的散射面元將會映射到 而散射面元沿電磁波傳播方向的速度為 其中，ω是海浪頻率，Wl(K)是長波譜，K是海浪波矢=小+ tan2 Asin2A，δ=tan-1 (tan Θ iSin θ 0), 01是雷達入射角，Θ ^是飛行方向與海浪波矢K在海表面方向的夾角；r代表海浪在水平方向的位置，其包含χ和y兩個方向上的位置信息。
全文摘要
本發明公開了一種海浪的SAR信號模擬方法，包括以下步驟S1采用海浪譜對海浪進行建模，構造包含多個面元的三維海表面；S2計算每個所述面元的散射場，然后根據速度聚束模型將所述面元沿距離向的運動效應轉化為方位向的偏移，并根據所述散射場和所述方位向的偏移生成海面散射圖；S3對所述海面散射圖進行整體運動的SAR信號模擬得到模擬SAR信號，并采用SAR成像算法對所述模擬SAR信號進行處理得到模擬SAR圖像。本發明提供的海浪的SAR信號模擬方法由于考慮了海面運動所引起的多普勒效應，使得能夠實現較大風浪情況下海浪的SAR信號模擬，能夠為SAR系統的設計提供全面的模擬數據。
文檔編號G01S7/40GK102955152SQ20111035552
公開日2013年3月6日 申請日期2011年11月10日 優先權日2011年11月10日
發明者溫曉陽, 董慶 申請人:中國科學院對地觀測與數字地球科學中心